基于RFID 的无线生理参数采集节点设计与实现

2018-05-09 09:33:31 爱德腕带 阅读

作者:李祯

[摘 要] 目的 设计一种低功耗物联网射频识别(RFID)接入方案实现生理参数与医院信息系统(H IS)融合。

方法 采用低功耗ARM 作为主控芯片、驱动PN532芯片作为RFID读写芯片来读取标签数据,再通过查找SD卡中的汉字库,将患者的信息显示于LCD液晶屏上,最后通过W i-Fi模块将所有数据传至护士站 。

结果 经测试,本系统可准确采集腕带中的患者信息,并清晰显示于LCD屏幕上,数据经绑定后快速连接W i-Fi网络。

结论 本系统具有准确、快速、稳定以及低功耗等优点,非常适合应用于物联网传感器节点的设计方案中,具有广阔的发展空间。

随着电子信息技术的发展,计算机及互联网、移动通信技术,以前所未有的方式改变着人类的生活[1] 。

与此同时,我们不仅满足于人与人之间的通信,更希望能够在物品与物品之间、人与物品之间,甚至人与现实环境之间实现高效的信息交互,物联网应用而生。

1999 年美国麻省理工学院建立了自动识别中心,提出了网络无线射频识别系统,通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来,实现了智能化识别管理[2] 。

射频识别技术(R adio Frequency Identification,R FID )是一种通信技术,可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据,实现人们对各类物体或设备在不同状态下的自动识别和管理[3] ,具有操作简便,存储数据量大,可适应恶劣条件等优点,同时具有读写认证以及加密机制,保障系统安全。

尽管经过多年的发展,物联网已经演变为基于 RFID的红外感应器、全球定位系统等多种信息传感设备,并按照约定的协议,将物品与互联网连接起来实现智能化管理的网络,但是 RFID 作为物联网的重要载体,依然具有广阔的应用空间。

在临床生理参数采集工作中,护士通常将测量后的生理参数手动抄写下来、再录入到护士站系统中,或采用手动输入 PDA 后再将数据上传。

对于一个 30 张床位的病区来说,完成 1 次对全体患者血压和脉搏地采集工作需要花费 1 名护士 40 m in 左右的时间,且每天重复多次。

这不仅占用护理人员大量工作时间、增加运营成本,而且容易出现由于字迹模糊、抄写错误以及涂改污损造成对患者生理参数录入错误的现象。

本方案中的 RFID 读写器可将患者的个人信息写入腕带,在每次采集生理参数之前先读取患者 ID,待采集完毕将测量结果与 ID 绑定,通过 W i-Fi网络发送至护士站。

W i-Fi模块采用 M arvell公司的 88W 8686 芯片,支持802.11a/b/g 模式,另外还可将本次测量结果以及日期等相关信息存储在腕带中,待下次测量前查看。

本研究将生理参数采集工作与医疗物联网有效结合,在简化临床护理工作的同时也推进了医疗物联网的发展。

1 硬件系统组成本方案采用 PN532 芯片作为 RFID 主芯片,采集标签中存储的信息,并通过高速串口发送给处理器 STM 32 ;处理器再将标签信息整合,显示于 LCD 屏幕,并通过 SPI转发给 W i-Fi模块再上传至院内无线网,并实现互联网接入。

硬件系统组成。

1.1 微处理器STM 32 系列是专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的 ARM Cortex-M 3 内核。

按性能分成 2 个不同的系列 :STM 32F103“增强型”系列和STM 32F101“基本型”系列。

考虑到移植协议栈需要较大存储空间,本方案采用“增强型”STM 32F103RE 内核,它具有 72M H z主频、512kB Flash 以及 64kB SRAM 。

1.2 R FID 读写芯片与标签PN532 是一款高度集成的非接触式传输模块,工作频率在 13.56M H z,内部包含 1 个 80C51 处理器,40KbROM ,以及 1KbRAM 。

它可以兼容多种工作在 13.56M H z的非接触式通信协议,提供给物理层的调制解调模块,并支持 I2C 、SPI、H SU 等 3 种接口[4] 。

PN532 传输模块支持 6 种工作模式 :读写器模式,支持 ISO/IEC 14443A / M IFARE 机制、FeliCa 机制以及 ISO/IEC 14443B 机制 ;卡操作模式,支持 ISO 14443A / M IFARE机 制、FeliCa 机 制 ;点 对 点 模 式, 支 持 ISO/IEC18092,ECM 340。

本研究选择 M IFARE 读写器模式 ;标签选择PH ILIPS 的 M IFARE one IC 卡,工作频率为 13.56M H z,自带 8Kbit EEPROM 存储空间。

1.3 88W 8686芯片8W 8686 芯片的物理层采用一个 802.11a/b/g 基带,可实现多种调制技术,如 DSSS、OFDM 、DBPSK、DQPSK、CCK 和 QAM 等,并且可在 2.4GH z和 5GH z双频无线收发,兼容性强 ;M AC 层定义了 2 种介质访问控制方式 :基本访问机制和集中控制访问机制。

本方案中采用基本访问机制中的载波侦听多路访问 /冲突避免(CSM A/CA)来实现无线工作站点和接入点之间的媒介共享。

同时,该芯片还提供了电源管理和数据加密功能。

以上所有的功能模块由其内部自带的 ARM 处理器来管理协调[5] 。

1.4 SD 卡与SPI Flash 芯片若以点阵方式存储汉字以实现显示功能需要浪费大量存储空间。

本方案采用 SD 卡存储 GBK 内码字库文件,上电后通过 SD 卡将字库文件拷贝至 SPI Flash 芯片—W 25X16中,于是 W 25X16 便可作为字库芯片供 ARM 来查找点阵信息。

由于 LCD 占用管脚资源过多,这里采用 SD 卡与 Flash芯片公用 SPI1 与 ARM 通信。

其中 SD_CS 与 F_CS 两个外设的片选信号通过不同的管脚控制以实现复用。

2 系统软件设计2.1 字库加载2.1.1 FAT32文件系统在 SD 卡中采用 FA T32 文件系统来管理文件,并通过该文件系统找到所需的字库文件。

在 SD 卡中,FA T32 文件系统主要包含 M BR 、D R B、FA T 文件分配表和数据区。

其中M BR 为主引导记录区,该区域位于SD 卡的扇区0,存储 SD 卡分区表,其中包含了 DBR 的位置信息 ;DBR 为操作系统引导记录区,包括每个簇的扇区数,每个扇区的字节数以及 FAT 表份数等重要信息 ;FAT 文件分派表描述簇的分配状态,标明文件或目录的下一簇簇号 ;数据区分为根文件目录表和真正的用户数据,根文件目录表中记录用户文件的文件名、属性、创建和访问时间以及文件起始簇号等[6] 。

通过以上描述可知,若要访问字库文件就要在该文件的目录项中找到文件的起始簇号,然后在 FA T 文件分配表中找到该簇的下一簇,依次读取簇便可将字库文件读取出来。

FA T32 文件系统在 SD 卡中存储结构。

2.1.2 字库更新将制作好的字库文件放入 SD 卡中,ARM 初始化FAT32 文件系统后,首先找到存放字库文件的文件夹,根据返回的簇号查找字体文件 ;然后将字体文件打开后读取第一扇区的 512 字节 ;最后通过 SPI口将读取的 512 字节信息写入 W 25X16 中。

循环读取写入的过程就完成了字库文件的复制,成功后返回 0,并在屏幕输出 Font UpdateSuccessed(字体更新成功)信息。

2.2 PN 532驱动2.2.1 硬件接口驱动本方案中,控制器与 RFID 读写芯片(下称 PN532)通过串口通信,并通过 PN532 的 IRQ 管脚产生唤醒信号。

具体连接方式。

这里采用 8 bit数据位、无校验,1 bit停止位、波特率为 115200,数据传输方式为 LSB 在前。

当控制器向PN532 发送了初始化指令且并没有检测到外部无线电场时,PN532 将进入休眠模式。

此时,若控制器也进入休眠模式且 PN532 又被外部无线电场激活,则需要通过 P70_IRQ 管脚产生的唤醒信号,通知控制器从休眠模式中被唤醒,并随后发送响应信息。

2.2.2 PN532初始化PN532 在工作过程中存在 6 种不同的操作模式,在这些模式下,芯片完成的具体操作不同,所需要的功耗也不同,其内部的 Firm ware 可以根据接收到的控制命令自动调整芯片的操作模式,以实现在不同功耗需求之间的调度。

在芯片初始化过程中使用到的工作模式为低电压模式与正常模式。

当 PN532 上电或重启之后首先进入低电压模式。

此时芯片在系统功能上处于软件掉电模式,功耗仅为20μA,且 P70_IRQ 端口不能产生中断信号。

若要改变操作模式需要满足 3 个条件 :首先要满足与控制器接口电压PVDD3V ;其次,控制器需通过串口发送头部为“55 5500 00 00 00 00 FF”的唤醒指令,唤醒成功后,控制器需要发送指令“14 01”使 PN532 进入正常模式。

其具体工作流程[7] ,见图 5。

2.2.3 命令收发PN532 通过 H SU_RX 端口接收控制器发送来的命令,通过 H SU_TX 端口确认以及响应并返回给控制器。

正常的控制器通过向 PN532 发送命令并接收返回信息来实现唤醒、扫描、标签认证、读写以及停止等一系列功能。

这些命令与返回信息组成基本数据库帧在控制器与 PN532 之间传输。

2.3 工作流程由于在本方案中 PN532 工作在 M IFARE 读写器模式,下面以一个完整的 M IFARE 读写流程来总结以上各项叙述。

(1)首先控制器发送以“55 55 00 00为开头的初始化指令将芯片初始化。

(2)等待初始化成功后,设置扫面模式,搜索当前环境中的 RFID 标签。

在本方案中同一时间只扫描 1 个标签。

(3)扫描成功后,PN532 返回标签 ID,利用这个 ID加上密钥组成认证指令,对标签进行身份验证。

(4)验证成功后, PN532 与标签之间的连接便建立起来,就可通过发送读命令或写命令来实现对标签的读写。

具体工作流程[9] ,见图 8。

3 结束语经过试验测试,本系统可以迅速完成标签检测、读取以及显示等功能。

同时与 W i-Fi模块相连接,可将标签内的信息发送至局域网乃至互联网。

这使得物联网采集信息以及接入 Internet变得更加方便。

在医院内部物联网中,本方案结合体温、脉搏、血压等采集模块用于患者生理参数采集终端设备,能够自动完成日常的生理参数采集、记录、上传等工作,提高了护理人员的工作效率

另外,在家庭医疗系统中,RFID 技术已经成为未来开发的重点。

为了应对人口老龄化,未来的医疗系统可能会采用家庭监视系统进行预防,如记录老人服药时间和次数,或监测老人是否摔倒,若出现危险情况可通过 W i-Fi模块或 GSM /GPRS 模块给老人的家属发送信息[10] 。

RFID 是物联网概念中的一个重要载体,而 W i-Fi技术具有普及性、标准化程度高,以及便于安装、管理等一系列优点。

这两种关键技术的融合,让医疗物联网与 Internet的融合变得简单,能够更好地发挥其自身的巨大优势。


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